JP2014032873A - 二次電池 - Google Patents

Abstract

【課題】積層型の電極群を備える二次電池において、正常作動時には電池缶内での電極群の位置ずれを抑制可能で、内圧上昇時には速やかに電流遮断機能を発揮可能な二次電池を提供する。
【解決手段】電極群１を外装ケース１１内の所定の位置に位置固定する位置ずれ防止部材６を設けると共に、集電リード５を位置ずれ防止部材６に固定し当該位置ずれ防止部材６を電池缶１０の所定部位に設ける易変形部に固定する構成とし、電池缶１０の変形に応じて位置ずれ防止部材６が変位して、集電リード５が外部端子１１ｆから離れる構成の二次電池ＲＢ１〜ＲＢ３とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、正極板と負極板を交互に積層した積層型の電極群を備える二次電池に関する。

近年、高エネルギー密度を有し小型軽量化が可能であることからリチウム二次電池が、携帯電話やノート型パソコン等の携帯型電子機器の電源用電池として用いられている。また、大容量化が可能であることから、電気自動車（ＥＶ）やハイブリッド電気自動車（ＨＥＶ）等のモータ駆動電源や、電力貯蔵用蓄電池としても注目されてきている。

上記リチウム二次電池は、電池缶を構成する外装ケース内部に正極板と負極板とをセパレータを挟んで対向配置した電極群を収納し、電解液を充填し、複数の正極板の正極集電タブに連結される正極集電リードと、この正極集電リードと電気的に接続される正極外部端子と、複数の負極板の負極集電タブに連結される負極集電リードと、この負極集電リードと電気的に接続される負極外部端子を備えた構成とされる。

また、電極群としては、巻回型と積層型が知られている。巻回型の電極群は、正極板と負極板との間にセパレータを介装して一体に巻回した構成であり、積層型の電極群は、正極板と負極板とをセパレータを介して複数層積層した構成である。

積層型の電極群を備えるリチウム二次電池においては、正極板と負極板とをセパレータを介して複数層積層した電極群を外装ケースに収容し、非水電解液で充填した構成とされ、それぞれの正極板の正極集電タブに連結される正極集電リードと、この正極集電リードと電気的に接続される外部端子、および、負極板の負極集電タブに連結される負極集電リードと、この負極集電リードと電気的に接続される外部端子がそれぞれ設けられている。

上記構成の積層型の電極群を備えるリチウム二次電池において、振動などの外力が負荷されると、電極群が変位して集電リードと外部端子との接続状態が悪化したり、極板の積層ずれが生じて短絡を起こしたりする危険性がある。

そのために、電極群支持体を介して、正極板、負極板及びセパレータの少なくともいずれかを電極群支持体に固定して積層電極群を電池容器内に位置決めする構成とし、振動等により積層電極群が電池容器内で移動せず、正極板、負極板の破損を防ぐとした二次電池が既に提案されている（例えば、特許文献１参照）

また、リチウム二次電池では、過充電や過放電状態になると内圧が上昇するため、電池缶の破裂等を避けるために、内圧が所定の圧以上まで上昇すると破断する安全弁を設けたものや、内圧の上昇を検知して電流を遮断する電流遮断機構を設けたものがある。

また、薄型電池において内圧上昇により電流遮断を行うために、リード端子板の一部に電池ケースの膨らみに応じて破断する易切断部を設けた電流遮断機構付き電池が既に提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００６−６６３１９号公報 特開２００１−３１３０２１号公報

正極板と負極板と電解液とを有する二次電池の容量を大きくし、電池寿命を長くするためには、発電面積を大きくし、充填する電解液の量を増量することが好ましいので、それぞれの極板の面積を大きくし、積層する層数も増加すると共に、充填する電解液量を増量する傾向にある。そうすると、電池缶を構成する外装ケースの容量が大きくなり、電極群と外装ケースとの間隙が大きくなって、振動などの外力により、電極群が移動し易い状態となる。

外装ケースに振動などの外力が付加され電極群が移動すると、正極（負極）集電リードと正極（負極）外部端子との接続が破損し、所定の電池容量が得られなくなってしまい問題となる。また、積層方向に変位すると、正極板と負極板との密着距離が変化して、所定の電池容量が発揮できなくなる問題を生じる。

そのために、多数（例えば、数十層）の正極板と負極板とセパレータとを積層した電極群を備える積層型の二次電池においては、振動などの外力が負荷されたときに、電極群が集電リード方向に移動することを効果的に抑制すると共に、それぞれの極板が積層方向に離れず、面方向にずれないようにしておくこと望まれる。また、積層した正極板と負極板とセパレータ全ての極板を同時に、積層方向とこの積層方向と直交する面方向に対してずれないように位置決めしておくことが好ましい。

従って、特許文献１に記載された二次電池のように、正極板、負極板、セパレータのいずれかを電極群支持体に固定するだけでは十分ではない。また、積層型の二次電池においては、前述したように、面方向の横ずれに加えて、積層方向の縦ずれも抑制して、多数の極板を積層して構成される電極群を安定して位置固定することが望まれる。

また、内圧が上昇すると電流を遮断できることが望ましいが、電流遮断機構を新たに設けることなく、低コストな構成で、電流遮断機能を発揮可能であることが望まれる。

そこで本発明は、上記問題点に鑑み、積層型の電極群を備える二次電池において、正常作動時には電池缶内での電極群の位置ずれを抑制可能で、内圧上昇時には速やかに電流遮断機能を発揮可能な二次電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、正極板と負極板とをセパレータを介して積層した電極群と、この電極群を収容し電解液が充填される外装ケースと、この外装ケースに設ける外部端子と、前記正負の極板と前記外部端子とを電気的に接続する正負の集電リードと、前記外装ケースに装着される蓋部材とを備える二次電池であって，前記電極群を前記外装ケース内の所定の位置に位置固定する位置ずれ防止部材を設けると共に、当該位置ずれ防止部材を電池缶の所定部位に設ける易変形部に固定する構成とし、前記電池缶の変形に応じて前記位置ずれ防止部材が変位したときに、前記集電リードが前記外部端子から離れる方向に前記集電リードを前記位置ずれ防止部材に固定したことを特徴としている。

この構成によると、通常の作動時には位置ずれ防止部材を介して電極群が位置ずれしないように固定でき、内圧が上昇する異常時には、電池缶の易変形部が変形し、同時に位置ずれ防止部材が変位するので、この位置ずれ防止部材を介して集電リードを外部端子から引き剥がすことが可能となる。そのために、正常作動時には電池缶内での電極群の位置ずれを抑制可能で、内圧上昇時には速やかに電流遮断機能を発揮する二次電池を得ることができる。

また本発明は上記構成の二次電池において、前記易変形部は前記蓋部材に設けられた薄肉部からなり、前記集電リードを前記外部端子の前記蓋部材に対向する面に固定したことを特徴としている。この構成によると、内圧が上昇すると易変形部となる薄肉部を介して蓋部材が膨張し、この膨張に応じて位置ずれ防止部材を変位させることができる。また、この変位を利用して、外部端子に接続している集電リードを外部端子から引き剥がすことができる。

また本発明は上記構成の二次電池において、前記易変形部は板厚の薄い前記蓋部材からなり、前記集電リードを前記外部端子の前記蓋部材に対向する面に固定したことを特徴としている。この構成によると、内圧が上昇すると薄い板厚の蓋部材が膨張し、この膨張に応じて位置ずれ防止部材を変位させることができる。また、この変位を利用して、外部端子に接続している集電リードを外部端子から引き剥がすことができる。

また本発明は上記構成の二次電池において、前記電極群は、積層面を前記外装ケースの底面と平行に設置され、前記位置ずれ防止部材は、前記集電リードを設ける側面側に設ける横ずれ防止部材を有し、該横ずれ防止部材に前記集電リードを挿通し支持するリード支持部を設け、当該横ずれ防止部材の上面を前記蓋部材に固定したことを特徴としている。この構成によると、横ずれ防止部材を介して電極群の横方向の位置ずれを抑制することができ、内圧上昇により蓋部材が変形すると、横ずれ防止部材に支持された集電リードが変位して外部端子から引き剥がすことができる。

また本発明は上記構成の二次電池において、前記位置ずれ防止部材は、前記電極群の側面側に接近して配設され、それぞれの極板の前記集電タブがそれぞれ挿通可能とされる第１部材と、前記外部端子に接近して配設され、前記集電タブをまとめて連結した前記集電リードを挿通し固定して支持するリード支持部が設けられた第２部材とを有すると共に、この第１部材と第２部材の上面を共に前記蓋部材に固定したことを特徴としている。この構成によると、内圧が上昇して蓋部材が変形すると第１部材と第２部材が共に変位する。また、集電リードの集合部を固定している第２部材は外部端子に接近して配設されているので、当該集合部を外部端子から容易に引き剥がすことが可能になる。

また本発明は上記構成の二次電池において、前記位置ずれ防止部材は、前記リード支持部から突出する前記集電リードを覆う被覆部を有することを特徴としている。この構成によると、集電リードが外部端子から剥がれても、この集電リードが外装ケースと接触するのを防止できる。

また本発明は上記構成の二次電池において、前記被覆部は、前記位置ずれ防止部材と前記外装ケースとの間隙に相当する突出長さを有することを特徴としている。この構成によると、外装ケースに対する電極群や位置ずれ防止部材の位置決めを容易に行うことが可能になる。

また本発明は上記構成の二次電池において、前記被覆部に、当該集電リードと前記外部端子とを重ね合わせ溶接する操作を可能にする開口窓部を設けたことを特徴としている。この構成によると、外部端子の上に集電リードを載置し、位置ずれ防止部材を装着した後、この開口窓部を介して集電リードと前記外部端子とを重ね合わせ溶接することが可能になる。

また本発明は上記構成の二次電池において、前記蓋部材に前記電池缶内部に向けて突出する係止片を設け、前記位置ずれ防止部材に、前記係止片が嵌り込む係止部を設け、前記蓋部材が変形すると、その変位に追従する前記係止片が前記係止部を介して前記位置ずれ防止部材を移動させることを特徴としている。この構成によると、内圧が上昇して蓋部材が変形すると、係止片が同時に変位して位置ずれ防止部材を確実に移動させて、集電リードを外部端子から引き剥がすことができる。

本発明によれば、集電リードを位置ずれ防止部材に固定し、位置ずれ防止部材を電池缶の所定部位に設ける易変形部に固定する構成としたので、正常作動時には電池缶内での電極群の位置ずれを抑制可能で、内圧上昇時には速やかに電流遮断機能を発揮可能な二次電池を得ることができる。

本発明に係る二次電池の第１実施形態を示す断面摸式図である。 本発明に係る二次電池が備える電流遮断機能を説明する概略断面図である。 位置ずれ防止部材の一例を示す正面図である。 本発明に係る二次電池の第２実施形態を示す断面摸式図である。 本発明に係る二次電池の第３実施形態を示す断面摸式図である。 本発明に係る二次電池の第４実施形態の要部拡大図である。 図６Ａに示す位置ずれ防止部材の平面図である。 本発明に係る二次電池の第５実施形態の要部拡大図である。 図７ＡのＡ−Ａ断面であって、位置ずれ防止部材の装着構成例を示す断面図である。 二次電池の分解斜視図である。 二次電池が備える電極群の分解斜視図である。 二次電池の完成品を示す斜視図である。 電極群の概略断面図である。

以下に本発明の実施形態を図面を参照して説明する。また、同一構成部材については同一の符号を用い、詳細な説明は適宜省略する。

本発明に係る二次電池としてリチウム二次電池について説明する。例えば、図１に示す本実施形態に係る二次電池ＲＢ１は、積層型のリチウム二次電池であって、正極板と負極板とをセパレータを介して複数層積層した積層型の電極群１を備えている。また、極板の面積を大きくし、積層数を増やすことで比較的大容量の二次電池となり、電気自動車用蓄電池や電力貯蔵用蓄電池などに適用可能なものである。

次に、積層型のリチウム二次電池ＲＢと電極群１の具体的な構成について、図８〜図１１を用いて説明する。

図８に示すように、積層型のリチウム二次電池ＲＢは平面視矩形とされ、それぞれが矩形とされる正極板と負極板とセパレータとを積層した電極群１を備えている。また、底部１１ａと側部１１ｂ〜１１ｅを備えて箱型とされる外装ケース１１と蓋部材１２とから構成される電池缶１０に収容して、外装ケース１１の側面（例えば、側部１１ｂ、１１ｃの対向する二側面）に設ける外部端子１１ｆから充放電を行う構成としている。

電極群１は、正極板と負極板とをセパレータを介して複数層積層した構成であって、図９に示すように、正極集電体２ｂ（例えば、アルミニウム箔）の両面に正極活物質からなる正極活物質層２ａが形成された正極板２と、負極集電体３ｂ（例えば、銅箔）の両面に負極活物質からなる負極活物質層３ａが形成された負極板３とがセパレータ４を介して積層されている。

セパレータ４により、正極板２と負極板３との絶縁が図られているが、外装ケース１１に充填される電解液を介して正極板２と負極板３との間でリチウムイオンの移動が可能となっている。

ここで、正極板２の正極活物質としては、リチウムが含有された酸化物（ＬｉＣｏＯ₂，ＬｉＮｉＯ₂，ＬｉＦｅＯ₂，ＬｉＭｎＯ₂，ＬｉＭｎ₂Ｏ₄など）や、その酸化物の遷移金属の一部を他の金属元素で置換した化合物などが挙げられる。なかでも、通常の使用において、正極板２が保有するリチウムの８０％以上を電池反応に利用し得るものを正極活物質として用いれば、過充電などの事故に対する安全性を高めることができる。

また、負極板３の負極活物質としては、リチウムが含有された物質やリチウムの挿入／離脱が可能な物質が用いられる。特に、高いエネルギー密度を持たせるためには、リチウムの挿入／離脱電位が金属リチウムの析出／溶解電位に近いものを用いるのが好ましい。その典型例は、粒子状（鱗片状、塊状、繊維状、ウィスカー状、球状および粉砕粒子状など）の天然黒鉛もしくは人造黒鉛である。

なお、正極板２の正極活物質に加えて、また、負極板３の負極活物質に加えて、導電材、増粘材および結着材などが含有されていてもよい。導電材は、正極板２や負極板３の電池性能に悪影響を及ぼさない電子伝導性材料であれば特に限定されず、例えば、カーボンブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、グラファイト（天然黒鉛、人造黒鉛）、炭素繊維などの炭素質材料や導電性金属酸化物などを用いることができる。

増粘材としては、例えば、ポリエチレングリコール類、セルロース類、ポリアクリルアミド類、ポリＮ−ビニルアミド類、ポリＮ−ビニルピロリドン類などを用いることができる。結着材は、活物質粒子および導電材粒子を繋ぎとめる役割を果たすものであり、ポリフッ化ビニリデン、ポリビニルピリジン、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系ポリマーや、ポリエチレン、ポリプロピレンなどのポリオレフィン系ポリマーや、スチレンブタジエンゴムなどを用いることができる。

また、セパレータ４としては、微多孔性の高分子フィルムを用いることが好ましい。具体的には、ナイロン、セルロースアセテート、ニトロセルロース、ポリスルホン、ポリアクリロニトリル、ポリフッ化ビニリデン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリブテンなどのポリオレフィン高分子からなるフィルムが使用可能である。

また、電解液としては、有機電解液を用いることが好ましい。具体的には、有機電解液の有機溶媒として、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネート、ブチレンカーボネート、ジエチルカーボネート、ジメチルカーボネート、メチルエチルカーボネート、γ―ブチロラクトンなどのエステル類、テトラヒドロフラン、２−メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、ジオキソラン、ジエチルエーテル、ジメトキシエタン、ジエトキシエタン、メトキシエトキシエタンなどのエーテル類、さらに、ジメチルスルホキシド、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、ギ酸メチル、酢酸メチルなどが使用可能である。なお、これらの有機溶媒は、単独で使用してもよいし、２種類以上を混合して使用してもよい。

さらに、有機溶媒には電解質塩が含まれていてもよい。この電解質塩としては、過塩素酸リチウム（ＬｉＣｌＯ₄）、ホウフッ化リチウム、六フッ化リン酸リチウム、トリフルオロメタンスルホン酸（ＬｉＣＦ₃ＳＯ₃）、フッ化リチウム、塩化リチウム、臭化リチウム、ヨウ化リチウムおよび四塩化アルミン酸リチウムなどのリチウム塩が挙げられる。なお、これらの電解質塩は、単独で使用してもよいし、２種類以上を混合して使用してもよい。

電解質塩の濃度は特に限定されないが、約０．５〜約２．５ｍｏｌ／Ｌであれば好ましく、約１．０〜２．２ｍｏｌ／Ｌであればより好ましい。なお、電解質塩の濃度が約０．５ｍｏｌ／Ｌ未満の場合には、電解液中においてキャリア濃度が低くなり、電解液の抵抗が高くなる虞がある。一方、電解質塩の濃度が約２．５ｍｏｌ／Ｌよりも高い場合には、塩自体の解離度が低くなり、電解液中のキャリア濃度が上がらない虞がある。

電池缶１０は、外装ケース１１と蓋部材１２とを備え、鉄、ニッケルメッキされた鉄、ステンレススチール、およびアルミニウムなどからなる。また、本実施形態では、図１０に示すように、電池缶１０は、外装ケース１１と蓋部材１２とが組み合わされたときに、外形形状が実質的に扁平角型形状となるように形成されている。

外装ケース１１は、略長方形状の底面を持つ底部１１ａと、この底部１１ａから立設した４面の側部１１ｂ〜１１ｅを有する箱型状とされ、この箱型状内部に電極群１を収容する。電極群１は、正極板の集電タブに連結される正極集電リードと、負極板の集電タブに連結される負極集電リードを備え、これらの集電タブと電気的に接続される外部端子１１ｆが外装ケース１１の側部にそれぞれ設けられている。外部端子１１ｆは、例えば、対向する二側部１１ｂ、１１ｃの二箇所に設けられる。また、１０ａは注液口であって、ここから電解液を注液する。

外装ケース１１に電極群１を収容し、それぞれの集電リードを外部端子に接続した後、もしくは、電極群１の集電リードにそれぞれの外部端子を接続して外装ケース１１に収容し、外部端子を外装ケースの所定部位に固着した後、蓋部材１２を外装ケース１１の開口縁に固定する。すると、外装ケース１１の底部１１ａと蓋部材１２との間に電極群１が挟持され、電池缶１０の内部において電極群１が保持される。なお、外装ケース１１に対する蓋部材１２の固定は、例えば、レーザ溶接などによってなされる。また、集電リードと外部端子との接続は、超音波溶接やレーザ溶接、抵抗溶接などの溶接以外に導電性接着剤などを用いて行うこともできる。

上記したように、本実施形態に係る積層型の二次電池は、正極板２と負極板３とをセパレータ４を介して複数層積層した電極群１と、この電極群１を収容し電解液が充填される外装ケース１１と、外装ケース１１に設ける外部端子１１ｆと、正負の極板と外部端子１１ｆとを電気的に接続する正負の集電リードと、外装ケース１１に装着される蓋部材１２と、を備えた構成である。

外装ケース１１に収容された電極群１は、例えば、図１１に示すように、正極集電体２ｂの両面に正極活物質層２ａが形成された正極板２と、負極集電体３ｂの両面に負極活物質層３ａが形成された負極板３とがセパレータ４を介して積層され、さらに両端面にセパレータ４を配設している。また、両端面のセパレータ４に替えて、このセパレータ４と同じ材質の樹脂フィルムを巻回して、電極群１を絶縁性を有する樹脂フィルムで被覆する構成としてもよい。いずれにしても、積層電極群１の上面は、電解液浸透性および絶縁性を有する部材が積層される構成となる。そのために、この面に直接蓋部材１２を当接させることができ、蓋部材１２を介して所定の圧で押さえ付けることも可能である。

この蓋部材１２は、平板状であっても、平板状ではなく、缶の内部に嵌まり込む皿型状であってもよい。皿型状の蓋部材を用いると、蓋部材を溶接する際に動くのを防止できて、溶接作業が容易となる。また、皿型状の落ち込み量を変更することで、収容する電極群の厚みの変化に容易に対応できる。

また、大容量化のために電池缶１０が大型になり、電極群１の厚みも大きくなると、振動などの外力が付加されたときに、電池缶内で電極群１がずれたりして集電リードや外部端子などが変形したり破損したりする危険性が増す。また、内圧が上昇すると電流を遮断できることが望ましいが、電流遮断機構を新たに設けることなく、低コストな構成で、電流遮断機能を発揮可能であることが望まれる。

そこで、本実施形態では、正常作動時には電池缶内での電極群の位置ずれを抑制可能で、内圧上昇時には速やかに電流遮断機能を発揮する構成の二次電池としたものである。そのために、電極群１を外装ケース１１内の所定の位置に位置固定する位置ずれ防止部材を設け、集電リード５を位置ずれ防止部材に固定し、外装ケース１１と蓋部材１２とから形成される電池缶１０の所定部位に厚みの薄い易変形部を設け、当該位置ずれ防止部材を易変形部に固定して、当該易変形部の変形に応じて変位させ外部端子１１ｆとの接続を解除する構成とすることにより、当該位置ずれ防止部材が位置ずれ防止機能と電流遮断機能とを同時に発揮可能としている。

次に、上記構成の具体的な二次電池の実施形態について、図１〜図５を用いて説明する。図１に第１実施形態の二次電池ＲＢ１の断面摸式図を示し、図４に第２実施形態の二次電池ＲＢ１の断面摸式図を示し、図５に第３実施形態の二次電池ＲＢ１の断面摸式図を示す。また、図２には電流遮断機能を説明する概略断面図を示し、図３には位置ずれ防止部材の一例を示す。

〈第１実施形態〉
図１に示す第１実施形態の二次電池ＲＢ１は、正極板と負極板とをセパレータを介して複数層積層した電極群１と、この電極群１を収容し電解液が充填される外装ケース１１と、この外装ケース１１に設ける外部端子１１ｆと、正負の極板と外部端子とを電気的に接続する正負の集電リード５と、外装ケース１１に装着される蓋部材１２Ａとを備える積層型の二次電池である。また、電極群１の位置ずれを抑制するために位置ずれ防止部材６を設け、さらに、蓋部材１２Ａに易変形部を設け、該易変形部に位置ずれ防止部材６を固定している。

位置ずれ防止部材６は、例えば、集電リード５が設けられている電極群１の横方向のずれを抑制する横ずれ防止部材である。そのために、図３に示すように、電極群１の集電リード５が設けられている側部に位置ずれ防止部材６を設置して、この位置ずれ防止部材６の本体中央部に集電リード５が挿通可能な細長い挿通孔６１が形成されている。この位置ずれ防止部材６は、絶縁性を有する発泡体（例えば、ポリエチレンやポリプロピレン発泡体）を用いる。特に、ポリエチレンからなる発泡体であれば、機械的強度と耐薬品性に優れ、さらに耐熱性にも優れているので、本実施形態に使用する位置ずれ防止部材として好適である。

集電リード５は、挿通孔６１に固定しておくことが好ましい。そのために、挿通孔６１のサイズを板金状の集電リード５をきつく嵌め込む程度の大きさとして固定してもよく、また、嵌め込んだ後で接着固定するようにしてもよい。いずれにしても、挿通孔６１が集電リード５を挿通し支持するリード支持部となるようにする。

位置ずれ防止部材６を組み付けた二次電池ＲＢ１は、電極群１がずれないように固定できるので、振動などの外力が付加されても、電極群１がずれずに、端子の破損なども生じない。また、内圧が上昇する異常時には、電池缶１０Ａの易変形部が変形し、同時に位置ずれ防止部材６が変位するので、この位置ずれ防止部材６の変位を利用して集電リード５を外部端子１１ｆから引き剥がすことが可能となる。そのために、正常作動時には電池缶内での電極群１の位置ずれを抑制可能で、内圧上昇時には速やかに電流遮断機能を発揮する二次電池ＲＢ１を得ることができる。

易変形部は、電池缶の所定部位に薄肉部を設けることで実現できる。本実施形態においては、蓋部材１２Ａに易変形部を設ける構成としている。この易変形部は、蓋部材に設けられた薄肉部から形成してもよく、また、全体の板厚を薄くした易変形部１２Ａａから形成してもよい。そのために、図中の実線に示すように、蓋部材１２Ａの全部を易変形部１２Ａａとしてもよく、図中の破線に示すように、外装ケース１１に固定する枠部は板厚を厚くし、中央部分のみを変形容易なように薄くしておくこともできる。

要するに、蓋部材１２Ａが内圧の上昇に伴い、容易に膨張する構成であればよく、この容易に変形する易変形部に位置ずれ防止部材６を固定できる構成であればよい。従って、電池缶１０Ａの内圧が上昇すると、易変形部となる薄肉部を介して蓋部材１２Ａが膨張し、もしくは、薄い板厚の蓋部材１２Ａが膨張し、これらの膨張に応じて位置ずれ防止部材６を変位させることができる。また、この変位を利用して、外部端子１１ｆに接続している集電リード５を外部端子１１ｆから引き剥がすことができる。

易変形部１２Ａａを備えた上記構成の二次電池ＲＢ１において、過充電や過放電状態になって内圧が上昇すると、易変形部１２Ａａが先に大きく変形して図２に示すような状態になる。また、この易変形部１２Ａａに位置ずれ防止部材６を接着などにより固定しておくことにより、位置ずれ防止部材６を易変形部１２Ａａと共に変位させることができる。

そこで、集電リード５を、電池缶１０Ａの変形に応じて位置ずれ防止部材６が変位したときに、外部端子１１ｆから離れる方向、すなわち、外部端子１１ｆの上側に固定しておくと、易変形部１２Ａａの変形に応じて位置ずれ防止部材６が変位して、集電リード５を外部端子１１ｆから引き剥がすことができる。

例えば、外部端子１１ｆの上に集電リード５を載置して重ね合わせ溶接すると共に、この溶接条件を、溶接深さ０．５ｍｍ、溶接幅１ｍｍで溶接長さ２０ｍｍ程度としたときに、易変形部１２Ａａが１０ｍｍ膨張すると溶接が剥がれることが確認された。

このときの易変形部１２Ａａに対する位置ずれ防止部材６の固定は、接着剤（日本ゼオン株式会社製ＢＭ−１４０Ｓ）を用いて接着固定できる。また、集電リード５を挿通孔６１に接着固定するときも、同じ接着剤を用いる。すなわち、位置ずれ防止部材６の挿通孔６１に集電リード５を通して接着固定し、集電リード５を外部端子１１ｆに溶接固定し、それから、位置ずれ防止部材６を易変形部１２Ａａに接着固定し、蓋部材１２Ａを固定する手順により、上記構成の二次電池ＲＢ１を作製できる。

蓋部材１２Ａは図示するように平板状であってもよく、また、電極群１の上面に当接する部分が凸状に突出して外装ケース１１に嵌まり込む皿型状であってもよい。そのために、皿型状の蓋部材１２Ｂを用いた第２実施形態について図４を用いて説明する。

〈第２実施形態〉
図４は、第２実施形態の二次電池ＲＢ２を示す断面摸式図である。この二次電池ＲＢ２は前述した第１実施形態の二次電池ＲＢ１とは蓋部材の形状が異なるだけで、その他の構成は同じである。

この二次電池ＲＢ２が備える蓋部材１２Ｂは皿形状であって、この蓋部材１２Ｂに設ける易変形部は、前述した中央部分のみを薄くした構成であっても、図に示すように、全体を薄くした易変形部１２Ｂａであってもよい。

この構成でも、それぞれの極板の集電タブを接続した集電リード５を位置ずれ防止部材６の挿通孔６１に挿通して接着固定し、集電リード５を外部端子１１ｆに溶接固定し、それから、位置ずれ防止部材６を易変形部１２Ｂａに接着固定することにより、当該位置ずれ防止部材６が位置ずれ防止機能と電流遮断機能とを同時に発揮可能となる。

すなわち、皿形状の蓋部材１２Ｂであっても、板厚を薄くした易変形部１２Ｂａを設けることにより、内圧が上昇したときに、集電リード５を外部端子１１ｆから引き剥がすことができる程度に易変形部１２Ｂａを変形させることができる。

次に、位置ずれ防止部材６を複数の部材から構成した第３実施形態について図５を用いて説明する。

〈第３実施形態〉
図５に示す位置ずれ防止部材は、電極群１の側面側に接近して配設され、それぞれの極板の集電タブがそれぞれ挿通可能とされる第１部材６Ｂと、外部端子１１ｆに接近して配設され、集電タブをまとめて連結した集電リード５を挿通し固定して支持するリード支持部が設けられた第２部材６Ａとを有する構成とされる。

また、本実施形態は、位置ずれ防止部材が電極群１の上面に当接して積層方向の縦ずれも抑制可能な構成であって、第１部材６Ｂと第２部材６Ａの上面を共に蓋部材１２Ｂ（易変形部１２Ｂａ）に固定（接着）している。この構成であれば、内圧が上昇して蓋部材（易変形部１２Ｂａ）が変形すると第１部材６Ｂと第２部材６Ａが共に変位する。また、集電タブの集合部である集電リード５を固定している第２部材６Ａは外部端子１１ｆに接近して配設されているので、当該集電リード５を外部端子１１ｆから容易に引き剥がすことが可能になる。

すなわち、この実施形態では第２部材６Ａが、集電リード５を挿通し支持するリード支持部を備えた位置ずれ防止部材となる。この場合でも、内圧の上昇に伴い易変形部が変形し、これに同調してリード支持部となる第２部材６Ａが変位すればよいので、易変形部は、蓋部材１２Ｂの一部を薄肉として構成してもよい。

さらに、絶縁性を有する発泡体から成る位置ずれ防止部材６の形状を工夫することにより、安全性と組立容易性を図ることが可能になるので、このような実施形態について第４実施形態として図６Ａ、図６Ｂを用いて説明する。

〈第４実施形態〉
図６Ａに示す位置ずれ防止部材６Ｃは、リード支持部（挿通孔６１）から突出する集電リード５を覆う被覆部６２を有する。また、この被覆部６２は、絶縁性を有していることが好ましい。そのために、位置ずれ防止部材６Ｃの本体部から突出した被覆部６２を一体に備えた形状の絶縁性を有する発泡体から成る位置ずれ防止部材６Ｃであっても、別体の絶縁性を有する発泡体を組み合わせた位置ずれ防止部材６Ｃであってもよい。

このように、リード支持部（挿通孔６１）から突出する集電リード５を覆う被覆部６２を有した構成であれば、集電リード５が外部端子１１ｆから剥がれても、この集電リード５が外装ケース１１と接触するのを防止できて、安全性が向上する。

また、被覆部６２の突出長さＬ１は、位置ずれ防止部材６Ｃと外装ケース１１との間隙に相当する長さであることが好ましい。この構成であれば、被覆部６２を外装ケース１１の内面に当接させて位置決めできるので、外装ケース１１に対する電極群１や位置ずれ防止部材６Ｃの位置決めを容易に行うことが可能になる。

また、図６Ｂに示すように、被覆部６２に開口窓部６３を設けておくことが好ましい。この構成であれば、外部端子１１ｆと集電リード５との重ね合わせ溶接を、この開口窓部６３を介して容易に行うことができる。また、溶接操作の際に、開口窓部６３の段差を画像認識できるので位置決め操作が容易となる。

また、蓋部材と位置ずれ防止部材との固定は上記で説明した接着以外の方法でも可能であるので、この接着以外の方法を用いた実施形態を第５実施形態として図７Ａ、図７Ｂを
用いて説明する。

〈第５実施形態〉
図７Ａに示す第５実施形態の位置ずれ防止部材６Ｄは、蓋部材と機械的に結合する係止部６４を備えた構成とされる。すなわち、係止部６４は、挿入溝６４ａと係止溝６４ｂを備えてＴ型に形成された溝であって、蓋部材にこの挿入溝６４ａと係止溝６４ｂに係合する係止片を設け、係止片をこの係止部６４に嵌め込むことにより、蓋部材と位置ずれ防止部材とを固定するものである。

例えば、図７ＡのＡ−Ａ断面方向の位置ずれ防止部材６Ｄの装着構成例を示す図７Ｂに示すように、蓋部材１２Ｃの下方に、断面逆Ｔ型の係止片１２Ｃａを設け、この係止片１２Ｃａを位置ずれ防止部材６Ｄの係止部６４に嵌め込んで位置ずれ防止部材６Ｄを固定できる。

この構成であれば、蓋部材１２Ｃに設ける係止片１２Ｃａの下部延設部が係止溝６４ｂに嵌め込まれて係止するので、蓋部材１２Ｃが変位すると位置ずれ防止部材６Ｄも一体に変位可能になる。すなわち、内圧が上昇して蓋部材１２Ｃが変形すると、係止片１２Ｃａが同時に変位して位置ずれ防止部材６Ｄを確実に移動させて、集電リード５を外部端子１１ｆから引き剥がすことができる。また、この機械的な結合に加えて、前述した接着を同時に用いてもよいことは明らかである。

次に、実際に作製したリチウム二次電池について説明する。

（実施例）
[正極板の作製]
正極活物質としてのＬｉＦｅＰＯ４（９０重量部）と、導電材としてのアセチレンブラック（５重量部）と、結着材としてのポリフッ化ビニリデン（５重量部）と、を混合し、溶媒としてのＮ−メチル−２−ピロリドンを適宜加えて各材料を分散させてスラリーを調製し、このスラリーを正極集電体としてのアルミニウム箔（厚み２０μｍ）の両面上に均一に塗布して乾燥させた後、ロールプレスで圧縮し、所定のサイズで切断して板状の正極板２を作製した。

また、作製した正極板のサイズは、１４０ｍｍ×２５０ｍｍで、厚みは２３０μｍであって、この正極板２を７０枚用いた。

[負極板の作製]
負極活物質としての天然黒鉛（９０重量部）と、結着材としてのポリフッ化ビニリデン（１０重量部）と、を混合し、溶媒としてのＮ−メチル−２−ピロリドンを適宜加えて各材料を分散させてスラリーを調製し、このスラリーを負極集電体としての銅箔（厚み１６μｍ）の両面上に均一に塗布して乾燥させた後、ロールプレスで圧縮し、所定のサイズで切断して板状の負極板３を作製した。

また、作製した負極板のサイズは、１４２ｍｍ×２５５ｍｍで、厚みは１４６μｍであって、この負極板２を７１枚用いた。

また、セパレータとして、サイズ１４５ｍｍ×２５５ｍｍで、厚み２５μｍのポリエチレンフィルムを１４０枚作製した。

[非水電解液の作製]
エチレンカーボネート（ＥＣ）とジエチルカーボネート（ＤＥＣ）とを、３０：７０の容積比で混合した混合液（溶媒）に、ＬｉＰＦ₆を１ｍｏｌ／Ｌ溶解して非水電解液を調整した。

[電池缶の作製]
電池缶を構成する外装ケースおよび蓋部材の材料としては、ニッケルメッキされた鉄板を用いてそれぞれ作製した。また、外装ケースは板厚０．８ｍｍであり、蓋部材の板厚は０．４ｍｍとし、長手方向×短手方向×深さ、がそれぞれ内寸で、３２０ｍｍ×１５０ｍｍ×４０ｍｍの電池缶サイズで、開閉可能な注入口栓付き角型リチウム二次電池を作製した。また、蓋部材は平板状のものを用いた。

[二次電池の組立]
正極板と負極板とをセパレータを介して交互に積層する。その際に、正極板に対して負極板が外側に位置するように、正極版７０枚、負極板７１枚、セパレータ１４０枚を積層し、この積層体をセパレータと同じ厚み２５μｍのポリエチレンフィルムを用いて巻回する構成として、厚みが約３０ｍｍの電極群（積層体）を構築した。

正負の極板間に介装するセパレータの大きさは前述したように、サイズ１４５ｍｍ×２５５ｍｍであり、正極板（１４０×２５０）、負極板（１４２×２５５）よりも少し大きなサイズである。これにより、正極板および負極板に形成された活物質層を確実に被覆することができる。また、正極の集電体露出部および負極の集電体露出部に、集電部材（集電リード）の接続片を接続した。

位置ずれ防止部材６として、短手方向側部にサイズ３０ｍｍ（厚み）×１５０ｍｍ×４０ｍｍのポリエチレン発泡体を用いた。また、これ以外に、長手方向側部にサイズ４ｍｍ（厚み）×２５５ｍｍ×４０ｍｍのものと、積層体上にサイズ１０ｍｍ（厚み）×１４２ｍｍ×２５５ｍｍのポリエチレン発泡体を用いた。また、短手方向のものは、蓋部材に対して接着剤（電解液に腐食されないもの：例えば、日本ゼオン株式会社製ＢＭ−１４０Ｓ）を用いて固定した。

外装ケース外部端子部材として、正極側にはサイズ３５ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍのアルミ板を用いた。また、負極側には同サイズの銅板を用いた。また、集電リードとして、正極側には２０ｍｍ×３０ｍｍ×０．７ｍｍのアルミ部材を、負極側には、同サイズのニッケル部材を用いた。そして、集電リードを接続した電極群を外装ケースに収容し、位置ずれ防止部材を設置し、集電リードと外部端子とを接続し、蓋部材を取り付けて密封し、注液孔から非水電解液を減圧注液した。注液後に、注液孔を封口して、それぞれの実施形態の二次電池を１０個作製した。

実施例１は、第一実施形態の二次電池ＲＢ１に相当し、短手方向の位置ずれ防止部材を蓋部材に接着固定したものである。また比較例は、同一構成ではあるが、短手方向の位置ずれ防止部材を接着固定していないものである。

実施例、比較例とも、それぞれ１０個作製し、過充電試験を行った。この試験は、満充電状態の電池に５０Ａの定電流を印加することで過充電状態としたものである。また、電流遮断が確認されるまで、もしくは、安全弁から電解液が噴きこぼれるまで電流を印加し続けたものである。

実施例１と比較例の二次電池各１０個を用いて、上記の過充電試験を行い、電流遮断の有無、電解液噴きこぼれの有無、集電リードの剥がれの有無を確認した。この実験結果を表１に示す。

電流遮断が不十分な場合、内圧が上昇し続けたのち、安全弁より電解液の噴きこぼれが起こるので、この現象の有無を確認した。上記の過充電試験の結果、実施例１（第一実施形態に相当）では、１０個の全てに電流遮断が確認され、そのうち、６個が負極側の集電リードが剥がれており、４個が正極側の集電リードが剥がれていた。また、いずれも、電解液噴きこぼれがなく、実施例１に係る二次電池は、電流遮断機能を有し、高い安全性を発揮することが明らかとなった。

しかし、位置ずれ防止部材を接着固定していない比較例では、サンプル１０個のうち３個に電流遮断が確認されたが、いずれもその後、安全弁が開放し、電解液噴きこぼれが発生した。すなわち、比較例に係る二次電池は、電流遮断機能が不十分であり、安全性も十分ではないことが確認された。

上記したように、本実施形態に係る二次電池であれば、通常の作動時には位置ずれ防止部材を介して電極群が位置ずれしないように固定でき、内圧が上昇する異常時には、電池缶の易変形部が変形し、同時に位置ずれ防止部材が変位するので、この位置ずれ防止部材を介して集電リードを外部端子から引き剥がすことが可能となる。そのために、正常作動時には電池缶内での電極群の位置ずれを抑制可能で、内圧上昇時には速やかに電流遮断機能を発揮する二次電池を得ることができる。

また、易変形部は蓋部材の厚みを薄くすることで形成できるので、この蓋部材の薄肉部に位置ずれ防止部材を固定することで、電池缶の変形に応じて、集電リードを外部端子から引き剥がすことが可能になる。

また、位置ずれ防止部材が集電リードを覆う被覆部を有する構成であれば、集電リードが外部端子から剥がれた時に、この集電リードが外装ケースと接触するのを防止できて、安全性が向上する。また、外装ケースに対する電極群や位置ずれ防止部材の位置決めを操作が容易となる。

上記したように、正常作動時には位置ずれ防止を目的としている構造が、内圧上昇時には電流遮断機能を発揮するので、別途電流遮断構造を持つ必要がなくなり、二次電池の低コスト化を図りながら安全性と組立容易性を発揮することが可能になる。

すなわち、本発明によれば、積層型の電極群を備える二次電池において、正常作動時には電池缶内での電極群の位置ずれを抑制可能で、内圧上昇時には速やかに電流遮断機能を発揮して、安全性と組立容易性を発揮する二次電池を得ることができる。

そのために、本発明に係る二次電池は、性能安定化および安全性が求められる大容量の蓄電池に好適に利用可能となる。

１ 電極群
２ 正極板
３ 負極板
４ セパレータ
５ 集電リード
６ 位置ずれ防止部材
６Ａ 第一部材（位置ずれ防止部材）
６Ｂ 第二部材（位置ずれ防止部材）
６Ｃ、６Ｄ 位置ずれ防止部材
１０ 電池缶
１１ 外装ケース
１１ｆ 外部端子
１２ 蓋部材
１２Ａ、１２Ｂ 蓋部材
１２Ａａ、１２Ｂａ 易変形部
６１ 挿通孔（リード支持部）
６２ 被覆部
６３ 開口窓部
ＲＢ、ＲＢ１〜ＲＢ３ 二次電池

Claims (9)

1. 正極板と負極板とをセパレータを介して積層した電極群と、この電極群を収容し電解液が充填される外装ケースと、この外装ケースに設ける外部端子と、前記正負の極板と前記外部端子とを電気的に接続する正負の集電リードと、前記外装ケースに装着される蓋部材とを備える二次電池であって，
   前記電極群を前記外装ケース内の所定の位置に位置固定する位置ずれ防止部材を設けると共に、
   前記集電リードを前記位置ずれ防止部材に固定し、当該位置ずれ防止部材を電池缶の所定部位に設ける易変形部に固定する構成とし、
   前記電池缶の変形に応じて前記位置ずれ防止部材が変位したときに、前記集電リードが前記外部端子から離れる方向に前記集電リードを前記位置ずれ防止部材に固定したことを特徴とする二次電池。
2. 前記易変形部は前記蓋部材に設けられた薄肉部からなり、前記集電リードを前記外部端子の前記蓋部材に対向する面に固定したことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
3. 前記易変形部は板厚の薄い前記蓋部材からなり、前記集電リードを前記外部端子の前記蓋部材に対向する面に固定したことを特徴とする請求項１に記載の二次電池。
4. 前記電極群は、積層面を前記外装ケースの底面と平行に設置され、前記位置ずれ防止部材は、前記集電リードを設ける側面側に設ける横ずれ防止部材を有し、該横ずれ防止部材に前記集電リードを挿通し支持するリード支持部を設け、当該横ずれ防止部材の上面を前記蓋部材に固定したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の二次電池。
5. 前記位置ずれ防止部材は、前記電極群の側面側に接近して配設され、それぞれの極板の前記集電タブがそれぞれ挿通可能とされる第１部材と、前記外部端子に接近して配設され、前記集電タブをまとめて連結した前記集電リードを挿通し固定して支持するリード支持部が設けられた第２部材とを有すると共に、この第１部材と第２部材の上面を共に前記蓋部材に固定したことを特徴とする請求項４に記載の二次電池。
6. 前記位置ずれ防止部材は、前記リード支持部から突出する前記集電リードを覆う被覆部を有することを特徴とする請求項４または５に記載の二次電池。
7. 前記被覆部は、前記位置ずれ防止部材と前記外装ケースとの間隙に相当する突出長さを有することを特徴とする請求項６に記載の二次電池。
8. 前記被覆部に、当該集電リードと前記外部端子とを重ね合わせ溶接する操作を可能にする開口窓部を設けたことを特徴とする請求項６または７に記載の二次電池。
9. 前記蓋部材に前記電池缶内部に向けて突出する係止片を設け、前記位置ずれ防止部材に、前記係止片が嵌り込む係止部を設け、前記蓋部材が変形すると、その変位に追従する前記係止片が前記係止部を介して前記位置ずれ防止部材を移動させることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の二次電池。

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